苑會(huì)領(lǐng)，崔宇新，沈曉鵬，劉 艷，王治易，張 雷，張崇峰，施飛舟

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

空間站技術(shù)代表航天技術(shù)最全面、復(fù)雜、先進(jìn)和綜合的水平，建造大型空間站也是我國(guó)載人航天工程的目標(biāo)之一。受運(yùn)載工具運(yùn)載能力的限制，大型空間站須在太空對(duì)接組裝［1-3］。直接側(cè)向?qū)釉诳臻g難以實(shí)現(xiàn)，原因?yàn)椋号c軸向?qū)赢a(chǎn)生通過(guò)軌道站質(zhì)心的對(duì)接沖擊力不同，側(cè)向?qū)赢a(chǎn)生沖擊力的作用點(diǎn)偏離軌道站質(zhì)心，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩對(duì)交會(huì)對(duì)接姿態(tài)穩(wěn)定和控制帶來(lái)不利的影響；側(cè)向?qū)邮艿杰壍勒旧斐鑫铮缣?yáng)帆板的阻礙；側(cè)向?qū)舆€需增加信號(hào)燈、雷達(dá)天線等附加裝置［4］。

為了實(shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)?，一種解決方法是先將航天器對(duì)接到軸向，再利用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將航天器轉(zhuǎn)移到側(cè)向?qū)涌?，?shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)?，“和平”?hào)空間站即采用此種方案［5］。另一種側(cè)向?qū)涌趯?duì)接技術(shù)是利用機(jī)械臂，直接捕獲并抓取航天器到側(cè)向?qū)涌冢龠M(jìn)行對(duì)接，現(xiàn)國(guó)際空間站采用該對(duì)接方式［6-7］。

調(diào)研、分析上述2 種組建方案后，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一。中國(guó)空間站由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ這3 個(gè)模塊組成，在我國(guó)空間站項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃初期，應(yīng)用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位較為經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)妥、可靠。目前，我國(guó)機(jī)械臂開(kāi)展了艙段轉(zhuǎn)位過(guò)程跟蹤控制及到位精度的技術(shù)分析工作［8］，預(yù)計(jì)在空間站擴(kuò)展階段，可直接采用機(jī)械臂組裝建造。

為了避免實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位前后艙體姿態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，創(chuàng)新性地提出平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，即實(shí)驗(yàn)艙在同一平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位前后艙體姿態(tài)不發(fā)生變化。既有利于各類(lèi)對(duì)地敏感設(shè)備的優(yōu)化配置，又能降低轉(zhuǎn)位過(guò)程對(duì)組合體的姿態(tài)擾動(dòng)。對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)，是為實(shí)現(xiàn)空間站對(duì)接與轉(zhuǎn)位的組裝建造任務(wù)需求而研制。

本文介紹了我國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)對(duì)接機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)及其研制過(guò)程，其中對(duì)接機(jī)構(gòu)基本繼承2 期對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)，而轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為全新設(shè)計(jì)和研制，因此側(cè)重介紹對(duì)接與轉(zhuǎn)位過(guò)程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的研制情況。

1 對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)組成

對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)由對(duì)接機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)組成，其中對(duì)接機(jī)構(gòu)為相互配合的異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為相互配合的主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂和被動(dòng)端基座。核心艙配置被動(dòng)端對(duì)接機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座、對(duì)接及轉(zhuǎn)位控制器；實(shí)驗(yàn)艙配置主動(dòng)端對(duì)接機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂、對(duì)接控制器、對(duì)接驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)位控制器。對(duì)接機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)產(chǎn)品如圖1、圖2所示。

圖1 異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)主被動(dòng)端產(chǎn)品Fig.1 Active and passive end products of the isomorphic peripheral docking mechanism

圖2 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座產(chǎn)品Fig.2 Rotary arm and base products of the transposing mechanism

主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)機(jī)械組件模裝如圖3 所示。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂模裝如圖4 所示。

圖3 主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)機(jī)械組件組成Fig.3 Mechanical component diagram of the active docking mechanism

圖4 轉(zhuǎn)臂組成Fig.4 Composition diagram of the rotary arm

其中，對(duì)接機(jī)構(gòu)機(jī)械組件的對(duì)接環(huán)和對(duì)接框，采用6 根絲杠、絲杠聯(lián)系組合、差動(dòng)組合等形成的捕獲傳動(dòng)緩沖子系統(tǒng)連接［9］。捕獲傳動(dòng)緩沖子系統(tǒng)功能包括捕獲、緩沖校正、推出/拉近等。其構(gòu)成主要有：捕獲鎖、絲杠聯(lián)系組合、差動(dòng)組合、絲杠安裝組合、驅(qū)動(dòng)組合等。捕獲鎖、絲杠聯(lián)系組合（上支點(diǎn)）和捕獲傳感器組件安裝于對(duì)接環(huán)上，對(duì)接環(huán)為承載結(jié)構(gòu)件，在對(duì)接過(guò)程中起捕獲導(dǎo)向和傳遞能量的作用；差動(dòng)組合和驅(qū)動(dòng)組合、絲杠安裝組合（下支點(diǎn)）安裝于對(duì)接框內(nèi)，上、下支點(diǎn)通過(guò)絲杠連接，形成完整的傳動(dòng)鏈。

連接密封分離子系統(tǒng)功能主要包括剛性連接、密封、分離、應(yīng)急分離和電路連通等。其構(gòu)成主要包括：對(duì)接鎖系、密封圈、電路浮動(dòng)斷接器、分離推桿和密封圈等。對(duì)接框也是重要承載結(jié)構(gòu)件，為對(duì)接鎖系、差動(dòng)組合、分離推桿、密封圈、電路浮動(dòng)斷接器和對(duì)接面上的傳感器等提供連接接口。

轉(zhuǎn)臂由捕獲連接機(jī)構(gòu)、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、臂桿組件、支架組件、齒輪支架、頭部和中部壓緊機(jī)構(gòu)等組成。其中，捕獲連接機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間的捕獲、連接、解鎖和分離；肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙的轉(zhuǎn)位，實(shí)現(xiàn)艙體的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、緩沖和制動(dòng)。頭部和中部壓緊機(jī)構(gòu)用于壓緊轉(zhuǎn)臂發(fā)射段。

對(duì)接機(jī)構(gòu)控制器、驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制器安裝于實(shí)驗(yàn)艙工作艙內(nèi)部，承擔(dān)指令傳輸、驅(qū)動(dòng)控制、參數(shù)采集等任務(wù)，控制和驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙分系統(tǒng)完成對(duì)接及轉(zhuǎn)位任務(wù)。信號(hào)交互過(guò)程如圖5 所示。對(duì)接控制器的主要功能是完成自動(dòng)控制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)艙自動(dòng)控制指令，按機(jī)械組件當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析處理，向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出機(jī)構(gòu)動(dòng)作的控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)器接收到控制信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)或電磁拖動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成對(duì)機(jī)械組件的運(yùn)動(dòng)控制；在轉(zhuǎn)位組裝段，由轉(zhuǎn)位控制器控制驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂執(zhí)行部件動(dòng)作實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位至核心艙的節(jié)點(diǎn)艙側(cè)向停泊口。轉(zhuǎn)位控制器與主動(dòng)對(duì)接控制器通過(guò)集電極（Open Collector，OC）門(mén)進(jìn)行信號(hào)交互，完成轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與對(duì)接機(jī)構(gòu)的協(xié)同控制。

圖5 對(duì)接機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)Fig.5 Control system diagram of the docking mechanism

1.2 時(shí)序及工作過(guò)程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)的工作過(guò)程包括軸向交會(huì)對(duì)接過(guò)程和轉(zhuǎn)位過(guò)程，其中軸向交會(huì)對(duì)接過(guò)程包括對(duì)接準(zhǔn)備、接觸、捕獲、緩沖校正、強(qiáng)制校正、對(duì)接環(huán)拉近、對(duì)接鎖鎖緊等過(guò)程［10］。整個(gè)對(duì)接過(guò)程在15 min 內(nèi)完成，過(guò)程如圖6 所示。

圖6 軸向?qū)舆^(guò)程Fig.6 Diagram of the axial docking process

在組合體狀態(tài)的工作項(xiàng)目完成后，擇機(jī)完成轉(zhuǎn)位組建。實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位過(guò)程是艙體大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)協(xié)同配合交互動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)［11］。在準(zhǔn)備轉(zhuǎn)位前，設(shè)置對(duì)接機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)狀態(tài)。轉(zhuǎn)位開(kāi)始后，首先，軸向?qū)訖C(jī)構(gòu)解鎖、分離、推出實(shí)驗(yàn)艙，在對(duì)接機(jī)構(gòu)保護(hù)連接的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座捕獲連接；其次，對(duì)接機(jī)構(gòu)軸向解鎖對(duì)接環(huán)收回；然后，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)腕關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)接續(xù)動(dòng)作，完成艙體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。艙體轉(zhuǎn)動(dòng)到位穩(wěn)定后，對(duì)接機(jī)構(gòu)通過(guò)推出對(duì)接環(huán)與側(cè)向?qū)涌趯?duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)捕獲，轉(zhuǎn)臂與基座解鎖、分離后，對(duì)接機(jī)構(gòu)完成剛性連接及復(fù)位。整個(gè)轉(zhuǎn)位過(guò)程在60 min內(nèi)完成，過(guò)程如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)位過(guò)程Fig.7 Diagram of the transposing process

1.3 設(shè)計(jì)方案

為了完成對(duì)接與轉(zhuǎn)位任務(wù)，對(duì)接機(jī)構(gòu)需具有對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲緩沖功能和連接密封分離功能，與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)或機(jī)械臂協(xié)同完成艙段轉(zhuǎn)位功能。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂需具有捕獲、連接和解鎖功能，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)大慣量艙體啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和緩沖制動(dòng)功能，與對(duì)接機(jī)構(gòu)協(xié)同完成艙段轉(zhuǎn)位功能。

1.3.1 對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲緩沖功能

捕獲傳動(dòng)緩沖功能包括：捕獲、緩沖校正、推出/拉近等。對(duì)接環(huán)是承載結(jié)構(gòu)件，為捕獲鎖、絲杠聯(lián)系組合、捕獲傳感器組件等提供連接接口，在對(duì)接過(guò)程中具有捕獲導(dǎo)向和傳遞能量的作用。

1）捕獲功能

對(duì)接機(jī)構(gòu)的捕獲功能由捕獲鎖實(shí)現(xiàn)。機(jī)械組件上共有3 套捕獲鎖，沿周向均勻分布在對(duì)接環(huán)的3 個(gè)導(dǎo)向板上。

捕獲時(shí)，在主被動(dòng)對(duì)接環(huán)導(dǎo)向板的初始導(dǎo)向下，隨著對(duì)接環(huán)的貼合，被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的卡板器擠壓捕獲鎖鎖舌，鎖舌在外力的作用下，縮進(jìn)鎖腔；當(dāng)卡板器進(jìn)入后，鎖舌在彈簧作用下快速?gòu)?fù)位彈出，捕獲被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)上的卡板器，且鎖舌保持自鎖狀態(tài)。

解鎖時(shí)，采用捕獲鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)解除鎖舌的自鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)捕獲鎖與卡板器的脫離。如電機(jī)不能完成捕獲鎖解鎖，則啟用手動(dòng)解鎖裝置完成解鎖。

2）推出/拉近功能

由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副控制對(duì)接環(huán)推出/拉回。在推出拉回過(guò)程中，對(duì)接環(huán)保持鎖定狀態(tài)，保證推出拉回過(guò)程的姿態(tài)；在準(zhǔn)備對(duì)接的過(guò)程中，對(duì)接環(huán)處于自由狀態(tài)；在碰撞力的作用下，使對(duì)接環(huán)偏離平衡位置去適應(yīng)主、被動(dòng)對(duì)接環(huán)的相對(duì)位姿偏差。

3）緩沖校正功能

為了緩沖兩飛行器碰撞過(guò)程中的沖擊，將傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)為柔性系統(tǒng)，并在傳動(dòng)鏈中設(shè)置吸收、消耗、儲(chǔ)藏和釋放能量的部件，緩沖碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，同時(shí)具有校正對(duì)接環(huán)、使其恢復(fù)到平衡位置的能力。由于存在摩擦阻力，如對(duì)接環(huán)不能恢復(fù)到平衡位置，將對(duì)接環(huán)強(qiáng)行推到極限位置，在該位置，對(duì)接環(huán)驅(qū)動(dòng)絲杠均達(dá)到最大長(zhǎng)度，6 根絲杠設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一致，因此，在極限位置即可保證對(duì)接環(huán)恢復(fù)至平衡位置。

1.3.2 對(duì)接機(jī)構(gòu)連接密封分離功能

連接密封分離功能主要有剛性連接、密封、分離、應(yīng)急分離等。

1）剛性連接及密封功能

剛性連接功能主要由安裝于對(duì)接框上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和對(duì)接鎖系完成。密封功能主要由對(duì)接面上的密封圈完成，對(duì)接鎖系在鎖緊同時(shí)壓緊密封圈實(shí)現(xiàn)密封。

2）分離功能

對(duì)接機(jī)構(gòu)的分離功能主要由分離推桿實(shí)現(xiàn)。分離推桿采用獨(dú)立無(wú)控結(jié)構(gòu)，由內(nèi)部彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量的貯存與釋放。剛性連接過(guò)程中分離推桿內(nèi)部的彈簧被壓縮，貯存彈性勢(shì)能。在分離過(guò)程中，對(duì)接鎖系解鎖后，彈簧自動(dòng)釋放貯存的彈性勢(shì)能，將主被動(dòng)端對(duì)接機(jī)構(gòu)分開(kāi)。

3）應(yīng)急分離功能

對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)急分離功能設(shè)計(jì)，在鎖鉤組件上安裝爆炸螺栓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)解鎖故障情況下的啟爆火工品緊急分離。

1.3.3 轉(zhuǎn)臂捕獲連接解鎖功能

轉(zhuǎn)臂捕獲基座時(shí)，轉(zhuǎn)臂肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)捕獲錐頭進(jìn)入接納錐捕獲范圍，捕獲錐頭與基座間存在相對(duì)的橫向偏差和俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)角度偏差，捕獲頭具有一定柔性，能夠適應(yīng)初始偏差。作為被動(dòng)端，基座通過(guò)接納錐開(kāi)口結(jié)構(gòu)尺寸，適應(yīng)對(duì)捕獲錐頭橫向偏差與俯仰，以及偏航角度偏差。

捕獲后，轉(zhuǎn)臂與基座通過(guò)兩者間的導(dǎo)向板進(jìn)行姿態(tài)校正。轉(zhuǎn)臂與基座連接時(shí)，由捕獲連接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拉緊連接，直至兩者的連接面貼合，基座端通過(guò)鎖鉤實(shí)現(xiàn)連接。

解鎖時(shí)，捕獲連接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)捕獲頭組件由連接位置運(yùn)動(dòng)至解鎖位置，鎖舌旋轉(zhuǎn)收縮至捕獲頭內(nèi)，完成解鎖。除了捕獲連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)解鎖外，還可通過(guò)基座電動(dòng)和火工解鎖實(shí)現(xiàn)故障情況下的緊急分離，保證系統(tǒng)安全。

1.3.4 轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)功能

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏈路是由電機(jī)將動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器傳遞至末端，設(shè)有彈簧裝置和阻尼器。轉(zhuǎn)位到位后，轉(zhuǎn)臂電機(jī)斷電，彈簧阻尼系統(tǒng)工作，穩(wěn)定過(guò)程為欠阻尼振動(dòng)，振幅隨時(shí)間按照指數(shù)規(guī)律衰減，關(guān)節(jié)逐漸穩(wěn)定直至停止。

對(duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向捕獲時(shí)，轉(zhuǎn)臂腕關(guān)節(jié)通過(guò)電磁離合器鎖定，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正傳動(dòng)與逆?zhèn)鲃?dòng)均被鎖定，以保持側(cè)向捕獲位置。肩關(guān)節(jié)處于自由狀態(tài)，減小側(cè)向捕獲過(guò)程中的載荷。主動(dòng)對(duì)接環(huán)通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)主驅(qū)動(dòng)推出，主被動(dòng)對(duì)接環(huán)接觸后相互作用。隨著主動(dòng)對(duì)接環(huán)的推出運(yùn)動(dòng)，捕獲鎖捕獲卡板器并給出捕獲信號(hào)，捕獲過(guò)程結(jié)束。

2 對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)是集機(jī)、電、熱、控制等多學(xué)科為一體的復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。對(duì)接過(guò)程與2 期工作過(guò)程保持一致，但轉(zhuǎn)位過(guò)程是對(duì)接機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)高度耦合的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，須綜合考慮并掌握對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)布局、耦合特性、尺寸鏈分配等總體參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)，保證轉(zhuǎn)位過(guò)程中滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)要求。同時(shí)，在滿足轉(zhuǎn)位要求的前提下，須考慮高低溫、熱真空等空間環(huán)境，以及加工精度等因素對(duì)機(jī)構(gòu)的精度設(shè)計(jì)、分配和保證的影響。

通過(guò)對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位時(shí)序、總體參數(shù)、結(jié)構(gòu)布局、載荷、強(qiáng)度、精度和熱環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果不斷迭代，按設(shè)計(jì)-仿真-再設(shè)計(jì)-再仿真流程，確定對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的性能、載荷等總體參數(shù)［12-13］。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)

對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)需在2 期突破對(duì)接機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)［14］的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步攻關(guān)更為復(fù)雜的轉(zhuǎn)位任務(wù)動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位過(guò)程中既包含轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主被動(dòng)段連接與釋放，實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位的啟動(dòng)與制動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程，又涉及對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接環(huán)帶載推出，對(duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向再對(duì)接等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

空間站轉(zhuǎn)位的各艙段處于失重狀態(tài)，為典型的無(wú)根系統(tǒng)。對(duì)轉(zhuǎn)位的2 個(gè)艙段建立12 個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，并以空間站慣性特征、關(guān)節(jié)特性等參數(shù)為條件進(jìn)行求解。隨著空間站的組建，組合體的慣性特征一直處于變化狀態(tài)，對(duì)所有狀態(tài)下的對(duì)接及轉(zhuǎn)位過(guò)程均進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并不斷地進(jìn)行參數(shù)修正，然后通過(guò)試驗(yàn)獲得參數(shù)特性，反復(fù)迭代。掌握了復(fù)雜的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與對(duì)接機(jī)構(gòu)耦合的轉(zhuǎn)位過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，解決了轉(zhuǎn)位過(guò)程的轉(zhuǎn)臂與基座捕獲連接過(guò)程、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)連接狀態(tài)下對(duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向捕獲等過(guò)程中對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)耦合的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。解決了大噸位艙體轉(zhuǎn)位過(guò)程緩沖制動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，確定了相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，指導(dǎo)了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)。

2.3 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)以最小的質(zhì)量和功耗代價(jià)可靠完成實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位任務(wù)，要求轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在具備高強(qiáng)度、高剛度、高精度、高可靠等通用要求基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)輕巧，布局緊湊，功能高度集成。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)集成設(shè)計(jì)技術(shù)包括：壓緊釋放集成設(shè)計(jì)技術(shù)、捕獲連接一體化技術(shù)、一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)。為了保證轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)發(fā)射段可靠壓緊和在軌段可靠釋放，又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)，對(duì)壓緊釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的其余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠兼顧壓緊釋放功能；轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)受到質(zhì)量和包絡(luò)的限制，將一般對(duì)接裝置中的捕獲鎖和結(jié)構(gòu)鎖進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，即用同一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了捕獲、連接、解鎖、復(fù)位等多項(xiàng)功能，功能集成度高；根據(jù)轉(zhuǎn)位任務(wù)特點(diǎn)及需求，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)集驅(qū)動(dòng)、緩沖、耗能、復(fù)位、自鎖、保持、過(guò)載保護(hù)、測(cè)量等功能于一體。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中既要功能高度集成，又要高度可靠，確保在有限的設(shè)計(jì)包絡(luò)和質(zhì)量約束條件下，可靠達(dá)到功能要求。

2.4 試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)屬于空間復(fù)雜機(jī)電一體化產(chǎn)品，同時(shí)轉(zhuǎn)位過(guò)程中對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)特性高度耦合，為了攻克轉(zhuǎn)位過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)，保證轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和對(duì)接機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境下正常工作，在開(kāi)展通用空間環(huán)境試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)考核。分系統(tǒng)在研制過(guò)程中突破地面環(huán)境的限制，研制各專(zhuān)用試驗(yàn)設(shè)備，攻克了轉(zhuǎn)位試驗(yàn)技術(shù)。具體體現(xiàn)在以下幾方面。

1）轉(zhuǎn)位過(guò)程中，艙段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，如果1∶1制造艙體進(jìn)行地面試驗(yàn)，將使試驗(yàn)系統(tǒng)異常復(fù)雜和龐大，且研制成本高。因此，采用艙段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效模擬技術(shù)和氣浮平臺(tái)重力平衡隨動(dòng)模擬技術(shù)［15-18］，實(shí)現(xiàn)大慣量艙體地面模擬試驗(yàn)［19-20］，驗(yàn)證轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)大慣量艙體的啟動(dòng)、運(yùn)行、緩沖和制動(dòng)特性。

2）為了驗(yàn)證在對(duì)接機(jī)構(gòu)保持情況下轉(zhuǎn)臂與基座的連接特性，研制轉(zhuǎn)臂和基座捕獲連接特性測(cè)試臺(tái)，不僅能測(cè)試轉(zhuǎn)臂和基座的捕獲特性，而且可在轉(zhuǎn)臂與基座連接過(guò)程中，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)主動(dòng)實(shí)施力隨動(dòng)加載來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品連接能力。

3）為了測(cè)試驗(yàn)證轉(zhuǎn)位過(guò)程中對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)耦合特性，研制對(duì)接與轉(zhuǎn)位全時(shí)序試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試對(duì)接機(jī)構(gòu)軸向保持情況下轉(zhuǎn)臂及基座的捕獲連接特性，以及側(cè)向到位后轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)保持情況下對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲特性，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)位過(guò)程的動(dòng)作協(xié)同性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)于2022 年9 月30 日實(shí)施了實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ的轉(zhuǎn)位任務(wù)，從軸向1 組對(duì)接鎖開(kāi)始解鎖，至給出“側(cè)向?qū)渔i緊完成”。整個(gè)轉(zhuǎn)位過(guò)程時(shí)間約1 h。

對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)于2022 年11 月3 日實(shí)施了實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的轉(zhuǎn)位任務(wù)，從軸向1 組對(duì)接鎖開(kāi)始解鎖，至給出“側(cè)向?qū)渔i緊完成”。整個(gè)轉(zhuǎn)位過(guò)程時(shí)間約1 h。

對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)圓滿完成了實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的對(duì)接與轉(zhuǎn)位任務(wù)，2 次轉(zhuǎn)位過(guò)程各項(xiàng)參數(shù)天地一致。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ在軌轉(zhuǎn)位實(shí)施過(guò)程如圖8 和圖9 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ艙體轉(zhuǎn)位過(guò)程Fig.8 Transposing process of the lab module I

圖9 實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ艙體轉(zhuǎn)位過(guò)程Fig.9 Transposing process of the lab module II

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)空間站工程采用異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)與平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)組合的中國(guó)式組建方案，對(duì)接機(jī)構(gòu)具有捕獲、緩沖、校正、拉近、鎖緊、密封等對(duì)接功能，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)具有捕獲、校正、連接、啟動(dòng)、緩沖、制動(dòng)等轉(zhuǎn)位功能，同時(shí)對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)耦合特性設(shè)計(jì)合理，并經(jīng)過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，充分重視產(chǎn)品的可靠性和安全性，進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。從預(yù)先研究到工程研制，歷時(shí)17 年，終于實(shí)現(xiàn)在軌的成功轉(zhuǎn)位，中國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成，成功實(shí)施空間站建造過(guò)程的關(guān)鍵步驟，也為后續(xù)在軌服務(wù)、載人登月及深空探測(cè)用機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。